基于CFD的高速船甲板上浪载荷的工程计算方法

结合势流理论计算和CFD技术各自的优势,给出了一种快速方便的再现甲板上浪现象的数值模拟方法。针对航行中船舶的甲板上浪现象,建立了运动的局部船艏上浪计算模型,计算模拟并分析了甲板上浪的现象及其对甲板结构的冲击作用。计算中船体的运动通过移动网格技术实现,其运动规律由势流理论给定,并通过Fluent软件进行CFD计算模拟再现船舶的甲板上浪。文中对迎浪状态下航行的S175集装箱船甲板上浪现象进行了数值模拟,结果表明能够比较准确地模拟甲板上浪过程,上浪对甲板及甲板上结构物的冲击载荷与试验吻合良好,该方法能够分析预报甲板及甲板上结构物所受的载荷,为工程应用提供良好的途径。

基于OpenFOAM的船舶与液舱流体晃荡在波浪中时域耦合运动的数值模拟

波浪中载液船舶运动激励舱内液体的晃荡,舱内液体晃荡产生的冲击力同时作用在舱壁上,进而影响船舶的运动姿态。波浪中船体水动力和时延函数是在势流理论范畴下采用切片法和脉冲响应函数方法计算获得的,液舱内液体非线性晃荡是基于粘性流理论实时计算模拟,两者耦合建立了波浪中载液船舶与液舱流体晃荡耦合的运动方程。论文基于开源CFD开发平台OpenFOAM,自主开发实现了船体运动与液舱晃荡的耦合计算程序,并进行了相应的数值模拟计算和验证工作。该方法完整地考虑了波浪、船体和液舱晃荡之间的耦合作用,并结合船体内外流场特点分别采用了势流和粘性流理论,具有较高的计算效率。通过数值模拟计算和模型实验研究表明,数值模拟计算能够清晰显现出液舱晃荡对船体全局运动影响,船体运动计算结果与模型实验结果吻合良好。

波浪中载液船舶运动的时域模拟

基于势流理论,采用切片法和脉冲响应函数方法实现船体时域运动,同时采用黏性流理论模拟计算舱内液体的非线性晃荡,进而建立了波浪中载液船舶耦合运动方程.该方法考虑了波浪、船体、液舱晃荡之间的耦合作用,并结合船体内外流场特点分别采用了势流和黏性流理论,具有较高的计算效率.研究结果表明:通过数值模拟计算和模型实验,数值模拟计算能够清晰显现液舱晃荡对船体全局运动影响,船体运动响应曲线与模型实验结果吻合良好.

基于全时域势流理论的船舶与液舱晃荡耦合运动的数值计算

基于三维线性有航速时域势流理论计算船体时域运动外域波浪力,同时采用三维全非线性时域势流理论来计算舱内液体的非线性晃荡所诱导力与力矩,进而建立了波浪中载液船舶耦合运动方程。该方法能够完整地考虑波浪、船体和液舱晃荡之间的实时耦合作用。研究结果表明:通过模型实验和数值模拟计算的对比,数值模拟计算能够清晰显现出液舱晃荡对船体全局运动影响,无航速船体运动RAO与模型实验结果吻合良好,有航速运动计算合乎预期。

船舶和浮式结构物时域运动及其耦合非线性晃荡研究（英文）

文章使用直接时域理论和间接时域理论分别对船舶时域运动的时延函数进行了数值计算与比较。直接时域理论需要更多的计算时间与资源,相比之下间接时域理论的处理方式则更加简单快捷。数值结果表明间接时域理论在处理无航速和较低航速工况下则显得更加高效实用。基于间接时域理论,考虑非线性晃荡作用的船舶与浮式结构物的全局时域运动方程得以建立,其中非线性晃荡效应由粘性流理论来加以描述,波浪、船舶运动和液舱晃荡之间的耦合作用得以完整考虑。此方法分别使用势流和粘流分别描述外流场和内流场,具有很高的计算效率。文中对一艘LNG船在不同的来波下进行了一系列数值研究,数值结果和实验结果吻合良好。

圆柱绕流的流动分离控制

流动分离现象在穿透自由液面的圆柱绕流过程中非常明显,也是造成各种海洋结构物阻力性能恶化的重要原因.针对此问题,开展了应用生涡器装置控制流动分离的试验研究和CFD模拟.通过生涡器可以在流动分离以前向边界层内触发小尺度涡,从而增加边界层底部的动量,抵抗流动分离的发生.圆柱绕流的拖曳试验结果表明,生涡器可有效抑制圆柱后体的流动分离,对于改善海洋结构物的阻力性能具有重要意义.

海上浮式风机在波浪作用下的动力响应分析

基于三维线性频域势流理论和脉冲响应函数方法计算时延函数与时域波浪力,利用准静定系泊模型来模拟系泊力,利用计算流体力学方法得到粘性阻尼系数,建立了风机在波浪作用下的时域运动方程.论文求解DeepCwind半潜式平台风机的动力响应,计算结果与试验值以及其他数值模拟结果吻合的较好,证明了方法的适用性.

三维船体横摇运动数值模拟及舭龙骨阻尼特性研究

为研究舭龙骨阻尼特性及尺寸航速等因素的影响,本文基于计算流体动力学方法分别对有、无舭龙骨三维船体的自由横摇衰减运动以及强迫横摇运动进行数值模拟研究,有无舭龙骨的三维船体的横摇阻尼之差即为舭龙骨阻尼。对Fr=0.138、初始横摇角10°带舭龙骨船体的自由横摇衰减数值模拟算例作了验证与确认分析,自由横摇衰减时历曲线与实验结果吻合较好,固有周期和横摇阻尼精度较高。进一步分析研究了不同几何尺寸、初始横摇角、航速以及频率等参数对舭龙骨阻尼的影响。自由横摇衰减模拟研究中舭龙骨阻尼随着舭龙骨宽度、初始横摇角度的增大而增大;当航速为0时,舭龙骨阻尼在总阻尼占比最大,航速对舭龙骨阻尼绝对值影响较小。强迫横摇模拟研究表明:当横摇角一定,舭龙骨阻尼随着频率的增大而非线性增大,在固有频率附近,粘性效应不可忽略。

基于高阶谱方法的非线性聚焦波下船体运动的模拟

为了研究入射波浪的非线性对船舶运动的影响,提出了一种新的描述船体运动的非线性时域混杂方法。将高阶谱(HOS)方法引入船舶时域运动计算模型中,用来模拟非线性入射波浪场,在瞬时湿表面上实时积分,求得船舶遭遇波浪时的非线性入射波浪力和非线性回复力,在弱散射假定下建立非线性波浪中船舶的运动方程。当HOS中摄动阶数为1时,船体运动模拟结果与规则波下试验的RAO结果对比良好,验证了改进后的时域模型的可行性和有效性。当HOS中摄动阶数为3时,非线性波浪场演化结果与聚焦波的试验数据对比,验证了入射波模型的正确性。分析了非线性入射波浪间的相互作用,并以WigleyⅢ为对象,计算分析不同波幅的聚焦波下船体时域运动响应,进一步考察波浪的高阶非线性对船舶受力和运动的影响。研究表明,非线性波浪的相互作用对波浪的频率分布、聚焦结果以及入射波浪场的压强分布有显著的影响,对船体的入射波浪力以及垂荡运动的影响最为显著,非线性的影响随着聚焦波幅的增大而变大。

一种基于CFD的船舶总阻力预报方法

根据船体阻力成因和预报方法的讨论分析,提出了基于CFD理论计算进行实船阻力预报的一种新方法,基于黏性流理论对叠模求解以获得船体黏性阻力,基于理想流体理论直接求解Euler方程获得船体兴波阻力。通过对系列60船型与KCS船型在各航速下船体阻力计算和试验结果的比较表明,该方法计算速度快,经济性好,预报精度满足工程需要,有较强的工程实用性。

基于数值波浪水池的波浪中船舶水动力计算

此文基于CFD方法建立了数值波浪水池,模拟了波浪的生成和传播,并对规则波浪中航行船舶的水动力进行了计算研究。文中讨论了适合船舶在波浪中航行的数值模拟的波浪环境表达,验证了参考坐标系下数值波浪水池中波浪生成和传播及消波等,模拟计算了多个航速顶浪与斜浪航行的约束Wigley-III船模的水动力以及顶浪中航行船舶的波浪增阻。计算结果与DUT(Delft University of Technology)的试验数据及势流理论的结果吻合良好。对比和研究表明,本文的方法能细致描述船舶周围的流场,且比实验更易实现和控制,在船舶的水动力性能分析和运动预报等方面具有广阔的应用前景。

数值波浪水池中航行船舶辐射问题的数值模拟

基于CFD方法,建立了数值波浪水池,就Wigley-III船模在不同航速下摇荡运动辐射问题进行了数值模拟,给出了一种求解航行船舶辐射运动的水动力系数的方法。计算分析了船体相关模态运动的附加质量与阻尼,与势流理论结果、DUT(Delft University of Technology)的试验数据进行了比较,吻合良好。对比和研究表明,本文的方法比实验更易实现和控制,能细致描述船舶周围的流场,在船舶水动力性能的分析预报等方面具有广阔的应用前景。

计及航行姿态变化的高速多体船阻力预报

对于高速航行的船舶,由于船体航行姿态变化明显,以该吃水下设计浮态为基准的阻力计算结果并不能准确预报其实际航行阻力。本文针对多体船高速行驶的兴波问题,采用动网格技术实现了基于动力学平衡预报船体航行时姿态变化和阻力计算,研究中就高速行驶的三体船绕流场进行了模拟计算,并和相关实验进行了比较。研究表明动网格技术应用避免了由于船体运动造成流场网格扭曲与计算发散等问题,具有良好的稳定性,该方法充分考虑了船体姿态的影响,对高速多体船的兴波阻力计算预报更为准确。

FMBEM求解直圆柱线性波绕射问题

运用快速多极子边界元法(Fast Multipole Boundary Element Method,FMBEM)求得单圆柱在线性波浪中的绕射问题的数值解.所谓的快速多极子边界元法就是采用快速多极子法(Fast Multipole Method,FMM)加速传统边界元法的求解速度.在文中通过求解二维的Helmholtz方程证明FMBEM法具有高精度和高效率,适用于求解大规模的数值问题.另外,给出了单圆柱线性平面波绕射问题中相关水动力学系数的数值计算结果.